Konduktion, Konvektion und Radiation - Herausforderungen beim Wärmeschutz

(29.1.2007) Mit der Einführung des Energiepasses in 2008 und der anstehenden Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV) in 2007 kommen auch auf Planer und Verarbeiter eine Vielzahl von zusätzlichen Aufgaben zu. Ein Grund mehr, sich auch von bauphysikalischer Seite her nochmals mit einigen Grundlagen und Möglichkeiten von konstruktivem Wärmeschutz vertraut zu machen.

Schutzfunktion der Bauteile

Ein Gebäude bietet Lebensraum und soll mittels bewährter Konstruktionen die Bewohner vor Witterungseinflüssen schützen. Insbesondere dem Dach aber auch den Außenwänden fallen hier eine Vielzahl von Funktionen zu. Eine davon ist der Wärmeschutz. Unterschieden werden ...

• winterlicher Wärmeschutz und
• sommerlicherWärmeschutz.

Beim winterlichen Wärmeschutz soll in erster Linie verhindert werden, dass die Wärme aus dem Gebäude abwandert. Damit verbunden ist aber auch die Reduzierung des Energieeinsatzes, um das Gebäude ausreichend zu erwärmen. Hingegen ist es die Aufgabe des sommerlichen Wärmeschutzes, das Gebäude vor Wärme von außen zu schützen, um eine Überhitzung von Bauteilen wie dem Dachraum zu verhindern.

Formen der Wärmeübertragung

In der Bauphysik kennt man drei unterschiedliche Arten der Wärmeübertragung: Wärmeweiterleitung (Konduktion), Konvektion und Radiation. Zur Erinnerung:

• Wärmeweiterleitung ist die Wärmeübertragung innerhalb eines Materials und die Wärmeübertragung durch stofflichen Kontakt unterschiedlicher Materialien.
• Konvektion ist die Wärmeübertragung durch Luftströmung.
• Der Begriff Radiation erklärt sich dem einen oder anderen vielleicht durch die Radiatoren, die man früher in Badezimmern zum kurzfristigen Heizen nutzte: Radiation heißt Strahlung.

Maßnahmen zum Wärmeschutz

Traditionell werden bevorzugt unterschiedlichste Wärmedämmstoffe in die Konstruktionen eingebaut, um Wärmeverluste durch Wärmeweiterleitung  (Konduktion) zu verhindern. Hierbei macht man sich die stofflichen Eigenschaften der Wärmedämmmaterialien zu nutze, denn Dämmstoffe leiten Wärme nur sehr langsam weiter (siehe auch Beiträge "Kriterien für den richtigen Dämmstoff" vom 30.11.2001 und "Naturdämmstoffe im Überblick" vom 20.2.2006).

Um Wärmeverluste durch Konvektion zu unterbinden, kommen zum Beispiel in Steildachkonstruktionen luftdichte Bahnen zum Einsatz. Diese werden so verlegt und verklebt, dass sie eine Konvektion von Luft im Bauteil Dach dauerhaft verhindern.

Strahlungswärmeverluste werden bisher kaum oder gar nicht konstruktiv unterbunden. Um nachhaltig und auch nachweisbar Strahlungswärmeverluste zu vermeiden, müssen die bauphysikalischen Zusammenhänge bei der Radiation genauer betrachtet werden. Bei der Radiation wird noch einmal unterschieden zwischen Wärmeemissivität und Wärmereflexion. Diese sind abhängig von der Beschaffenheit und dem Zustand der Oberfläche der Materialien.

• Mit der Emissivität wird bezeichnet, wieviel Wärme die Oberfläche eines Körpers im Verhältnis zu einem genau definierten sogenannten "schwarzen Körper" abstrahlt.
• Reflexion meint die Menge an Wärme, die von der Oberfläche des Körpers abgewiesen wird - auch wieder im Verhältnis zu diesem genau definierten "schwarzen Körper".

Zum Beispiel reflektiert poliertes Aluminium 97 Prozent der Wärmestrahlung und der Rest von 3 Prozent wird aufgenommen. Oxidiertes Aluminium reflektiert dagegen nur 25 Prozent der Wärmestrahlung und 75 Prozent werden aufgenommen.

Gleichzeitig gilt, dass Materialien nur die Menge an Strahlungswärme abgeben (man spricht dann von Emissivität), die sie auch aufnehmen können. Im Falle des polierten Aluminiums ist die Emissivität 3 Prozent und im Falle des oxidierten Aluminiums 75 Prozent.

Strahlungswärmeverluste konstruktiv reduzieren

Mit zwei neuartigen Systemen aus metallisierten Bahnen von DuPont können die Wärmeverluste durch Radiation und Konvektion in Dach- und Wandkonstruktionen um bis zu 15 Prozent reduziert werden. Dabei ersetzen die Bahnen nicht(!) die klassische Wärmedämmung, sondern optimieren das Gesamtsystem. Basierend auf den bekannten luftdichten und zugleich dampfdiffusionsoffenen Konstruktionen werden mit dem neuen "DuPont Climate Systems" sowohl die Konvektion unterbunden wie auch die Strahlungswärmeverluste verringert. Denn die metallisierten Bahnenoberflächen weisen eine geringe Emissivität von cirka 20 Prozent auf, was gleichzeitig bedeutet, dass rund 80 Prozent der Strahlungswärme reflektiert werden. Dies ist nur möglich, wenn neben der Verlegung einer metallisierten Dampfbremse raumseitig und einer ebenfalls metallisierten Unterspann-/ Unterdeckbahn außenseitig zusätzlich Lufträume als Radiationsebenen - man spricht allgemein von Lufträumen niedriger Emissivität - in der jeweiligen Konstruktion angeordnet werden - siehe Aufbau des "DuPont Climate Systems" mit Tyvek Enercor und DuPont AurGuard:

Ein raumseitiger Luftraum niedriger Emmissivität entsteht bereits durch die üblicherweise angeordnete Installationsebene, die der luftdicht angeschlossenen Dampfbremse folgt. Wirklich zusätzlich angeordnet werden muß in der Regel bereits ein unbelüfteter Luftraum zwischen Dämmstoff und metallisierter Unterspann-/ Unterdeckbahn zur Außenseite der jeweiligen Konstruktion. Dieser ist entweder durch geringere Dämmstoffdicken oder aber durch eine zusätzliche Konterlattung zu erstellen. Entscheidend ist, dass die zur Dämmung hin verlegte metallische Oberfläche der Unterspann-/ Unterdeckbahn keinen direkten Kontakt mit dem Dämmstoff hat, sondern ein Luftraum von mindestens 2,0 Zentimeter besteht.

Beide nicht belüfteten Lufträume weisen einen erhöhten R-Wert auf, da sie auf einer Seite durch eine metallisierte Oberfläche niedriger Emissivität abgegrenzt sind. Dieser R-Wert kann gemäß DIN EN ISO 6946 Anhang B berechnet werden. Damit tragen beide Luftschichten in Kombination mit der Begrenzung durch Bahnen niedriger Emissivität zur Reduktion der Wärmeübertragung durch die Gebäudehülle bei. Entsprechende Werte können in den von der EnEV geforderten Nachweis einfließen.